化学镀和粉末冶金法制备W/Cu梯度热沉材料（英文）

用化学镀法和粉末冶金的方法制备高致密的W/Cu梯度热沉材料。用场发射扫描电镜观察了材料的组织结构、界面和断口形貌。对材料的力学性能也进行了表征,如抗弯强度和显微硬度。结果表明材料每一层都很致密且组织结构均匀。截面上材料成分呈梯度分布,每层之间没有明显的界面。3层W/Cu梯度热沉材料的相对密度可达99.2%。散热层、过渡层和封接层的显微硬度HV分别是2000、2100和2400 MPa。抗弯实验结果显示封接层和散热层作为承重抗弯表面时的强度分别是428.5和480.7 MPa。

W-Cu梯度热沉材料的致密性和力学性能

对采用粒度配比和热压固相烧结方法制备的W-Cu梯度热沉材料的致密性和力学性能进行了研究。结果表明:W-Cu梯度热沉材料各梯度层均达到近全致密的程度,封接层,中间层,散热层的相对密度分别为98.6%,99.1%和99.5%;漏气率的指标满足真空封装的使用要求;随着致密性的增加,封接层和中间层的硬度增加,在相同致密性的条件下,中间层的硬度略高于封接层的硬度;W-Cu梯度热沉材料的抗弯强度明显高于各梯度层的抗弯强度,达到505.8MPa;封接层、中间层和散热层的抗压强度分别为547.1、619.1和416.0MPa。

W-Cu面对等离子体梯度热沉材料的制备和性能

采用粉末冶金法制备了W-Cu面对等离子体梯度热沉材料。对其显微组织、界面以及重要的热学、力学性能进行了研究。显微组织观察表明:截面成分呈梯度分布,并通过高温下元素的扩散,实现了组织的连续变化,层间没有明显界面;烧结后Cu形成了连续的网络结构,分布在W颗粒周围。W-Cu梯度材料的化学元素分布和热学、力学性能沿厚度方向呈梯度变化,材料整体的热导率达151.4 W.(m.K)-1。在800℃温差条件下,对材料分别进行抗热震和耐热疲劳实验。热震实验后,界面处未发现裂纹和开裂现象,表现出良好的抗热震性能。经过83次热循环冲击后,观察到了裂缝,并探讨了裂缝形成机制。

W-Cu梯度热沉材料的成分与结构设计

采用数值模拟的方法,分析了三层梯度结构W-Cu材料各层成分与厚度对制备过程中所产生的热应力的影响;对于四层、五层结构的W-Cu梯度材料,分析了各层等厚结构时的成分分布与热应力的关系。结果表明:三层梯度结构W-Cu材料的各层厚度发生变化时,中间过渡层的最佳成分不同;均厚的三层结构应力缓和效果最好;随着梯度结构层数的增加,应力缓和效果增强,但增强的趋势由明显变为平缓。

W/Cu功能梯度材料的热应力优化设计

运用有限元软件对W/Cu梯度材料进行了热应力优化设计,结果表明,在30MW/m2的表面热流负荷下,经过优化设计的W/Cu功能梯度材料有较好的热应力缓和效果,与非梯度材料相比等效热应力降低了62.3%,表面工作温度下降了50℃;与单纯金属W相比,W/Cu梯度材料的表面工作温度较之大幅度降低445℃。

W/Cu功能梯度材料的制备及热循环应力分析

采用水煮溶解造孔剂法,即先制备孔隙呈梯度分布的钨骨架、后渗铜的方法,制备了W/Cu功能梯度材料,并对钨铜在纵截面的分布进行了检测,数据表明在纵截面上钨铜呈梯度分布。利用水淬法模拟其服役状况并用有限差分方法对产生的非稳态热应力进行了分析。结果表明,热应力的最大值总是出现在两端,由于富钨端相对密度较低,裂纹总是在该端出现,模拟结果与实验结果相一致。

WCu梯度功能材料的高热负荷性能研究

用等离子体喷涂和热压方法制作了W Cu梯度功能材料(FGM)样品,用大功率ND∶YAG激光对其进行了高热负载模拟实验。结果表明,在100～400MW·m-2的瞬时(脉冲宽度为4ms)热负载下,经过200～700次热循环,未发现有W Cu复合体开裂。在123MW·m-2的功率密度下作用700次,发现钨表面有再结晶现象及严重的晶界腐蚀和裂纹,再结晶的平均晶粒尺寸约为5～10μm,垂直于表面呈柱状结构,再结晶层厚度约20～30μm。由于激光的淬冷效应,晶粒生长的趋势并不明显。在398MW·m-2功率密度下出现了明显的腐蚀坑,坑内呈疏松的蜂窝结构,坑的边缘出现了明显沉积区,能谱分析表明沉积区集聚了大量的金属杂质。等离子体喷涂试样比热压试样更易产生晶界的断裂的裂纹。在相同的热负荷条件下,W CuFGM的重量损失低于石墨材料的重量损失。

W/Cu梯度功能材料板稳态热应力分析

采用解析法研究了W/Cu梯度功能材料板的残余热应力和在稳态梯度温度场下的工作热应力的大小和分布状况。结果表明:随着成分分布指数的增加,残余热应力与工作热应力的最大值先减小后增大,当成分分布指数(P)取1时,达到最小值;随着梯度层数的增加,热工作热应力的最大值逐渐减小,但当梯度层数达到6时,随着梯度层数的增加,缓和效果并不明显;当梯度层厚度增加到5 mm时,工作热应力的最大值约为非梯度材料工作热应力最大值的50%。

热压烧结制备近全致密W-Cu梯度热沉材料

最近北京科技大学材料与工程学院有关研究人员采用粒度配比和热压固相烧结方法制备高致密W—Cu梯度热沉材料，考察烧结温度、压为和保温时间对梯度材料密度和硬度的影响，并对材料的显微组织进行观察。结果表明：采用热压固相烧结和粒度配比法可以制备近全致密的W—Cu梯度热沉材料。备梯度层分界清晰。

熔渗-焊接法制备W/Cu功能梯度材料的研究

采用熔渗－焊接法经过梯度W骨架制备，渗Cu及热压焊接三个步骤制备出W／Cu功能梯度材料。并对W／Cu梯度过渡层的显微结构进行了观察．

SiC_p/Cu梯度复合材料热疲劳性能研究

采用粉末冶金方法制备了4种SiC颗粒呈渐变分布的梯度复合材料,应用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、自动显微硬度计等,研究了梯度复合材料的显微组织、硬度分布和热疲劳性能。结果表明,SiCp/Cu梯度复合材料基体连续,梯度层过渡均匀,显微组织及硬度呈梯度分布;梯度复合材料的SiC颗粒渐变过渡越均匀,梯度复合材料抗热疲劳性能越好。

面向等离子体W/Cu功能梯度涂层的热应力模拟

应用有限元分析软件ANSYS研究了W/Cu功能梯度涂层的3D模型在不同热流密度的稳态冲击下的工作应力和分布以及在边缘局域模式下的瞬态热冲击的表面温度随热流持续时间的关系。结果表明,当钨涂层表面层厚度为2mm、梯度层为240μm时,最大等效应力得到有效缓解;W/Cu部件能承受高达500MW、持续时间为5ms的高热流冲击。

ZrW_(2)O_(8)/Cu复合材料的制备与热膨胀性能分析

研究采用放电等离子烧结法在600℃的低温下制备了高致密的ZrW_(2)O_(8)/Cu复合材料及其功能梯度材料。XRD分析表明ZrW_(2)O_(8)/Cu复合材料结晶性良好没有不纯物质产生。SEM显示ZrW_(2)O_(8)/Cu功能梯度材料在不同体积分数界面处实现了成分和微观组织的梯度过渡。热机械分析表明不同体积分数的ZrW_(2)O_(8)/Cu复合材料的热膨胀曲线与使用混合定律和Turner模型的预测基本一致,而且测量的ZrW_(2)O_(8)/Cu复合材料的热膨胀系数通过增加铜的含量可以从-7.96×10^(-6)/℃(ZrW_(2)O_(8))变化到2.98×10^(-6)/℃(30 vol%ZrW_(2)O_(8)/70vol%Cu)再变为极大值的11.6×10^(-6)/℃(70vol%ZrW_(2)O_(8)/30 vol%Cu)。

压渗法制备Mo/Cu梯度功能材料

采用背散射扫描电于显微镜对压渗法制备Mo／Cu功能梯度材料的组织结构进行观察，测量与分析其密度、硬度、电导率及热疲劳性能。结果表明，在1100℃，10MPa的作用力下于H2中保温2h，可制备出Cu含量10％～50％的Mo／Cu梯度功能材料。显微组织呈梯度性变化，各过渡层较其他烧结工艺具有更高的致密度，可达理论密度的98％以上。梯度层的硬度随铜含量增加呈线性降低。所得Mo／Cu梯度功能材料的整体电导率高，抗热疲劳性能好。

W/Cu和W/C涂层的循环热负荷实验

用等离子体喷涂和热压方法制作了W /Cu梯度功能材料和W /C涂层 ,其中W/C涂层具有多层的钨 (W )、铼 (Re)扩散阻挡势垒。为了试验这些复合材料能否经受聚变等离子体破裂时的高热负荷 ,用大功率ND :YAG激光进行了模拟实验。结果表明 :在 1 0 0～ 4 0 0MW /m2 的瞬时 (脉冲宽度为 4ms)热负荷作用下 ,经过 2 0 0～ 70 0次热循环 ,未发现W /Cu复合体的开裂。其中在 1 2 3MW /m2 的功率密度下作用70 0次后 ,发现等离子体喷涂试样表面的再结晶现象和严重的晶界腐蚀 ,由于激光的冷效应 ,晶粒生长的趋势并不明显 ,再结晶层的晶粒呈垂直于表面的柱状结构。W/C试样的退火实验表明 ,钨涂层的再结晶温度稍高于 1 4 0 0℃。在更高的功率密度下 (3 98MW /m2 )出现了明显的腐蚀坑 ,坑内呈疏松的蜂窝结构 ,坑的边缘形成了沉积区 ,能谱分析表明沉积区集聚了大量的金属杂质。等离子体喷涂试样比热压试样更易产生晶界的断裂和裂纹。在同等的热负荷条件下 ,W

高功率半导体热沉材料步入“钻铜”时代

金刚石/铜(Dia/Cu),又名'钻铜',是一种金刚石和铜的复合材料(见图1).通常采用压力浸渗工艺或粉末冶金工艺制备.新1代半导体材料的发展水平直接决定和影响了金刚石/铜热沉材料的诞生和产业化进程.随着砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等第2代、第3代高功率半导体芯片、器件的散热需求增加,金刚石/铜热沉材料研发和生产得到重视和发展.它具有热导率高、热膨胀系数低的特点.

一种新型封装材料的热耗散能力分析与验证

随着器件功率密度的不断提升,散热问题已成为微电子器件封装失效的主要原因之一。金刚石/铜(CuC)复合材料具有较高的热导率,可作为新一代散热材料应用于高功率密度器件的封装中。本文采用有限元分析(FEA)的方法对比了一款功耗为70 W的Ga N器件在应用不同热沉材料封装后的芯片结温和结-壳热阻,采用红外热成像仪测试了该款器件在使用新型金刚石/铜材料和常规的多层复合材料铜-钼铜-铜(Cu-Mo Cu-Cu,CPC)作为热沉后的结-壳热阻。结果表明,相比其他热沉材料,CuC可以大幅度降低芯片结温,在器件正常工作的条件下,采用CuC热沉材料的芯片热阻较采用CPC热沉材料的芯片热阻低19.74%,CuC热沉的热耗散能力高达4 464 W/cm^2。

W/Cu梯度材料热应力分析及结构优化设计

运用ANSYS12.0软件对W/Cu梯度材料进行热应力模拟分析,并对结构进行优化设计。结果表明,随着成分分布指数（p）的增加,最大热应力先减小后增大;在p=1.3,热流密度为30 MW/m^2时,最大热应力值最小为180 MPa,与非梯度材料相比最大等效热应力降低79%;最优化的梯度层厚度大于3 mm,梯度层数4~6层,钨板的厚度1~3 mm。

偏滤器部件W/Cu功能梯度材料的热应力缓和

W/Cu功能梯度材料是一种有希望用作聚变反应堆面向等离子体部件的侯选材料。为避免材料在使用过程中的热应力破坏,根据偏滤器部件服役的热流工况,在结合导热能力分析的情况下运用有限元软件对W/Cu梯度材料进行了优化设计。结果表明,成分分布指数的增大以及金属W厚度的增加均使表面工作温度提高;当成分分布指数为1.0～1.2时W/Cu梯度材料有最佳的热应力缓和效果。在30MW/m2的表面热流负荷下,与非梯度材料相比,经过优化设计的W/Cu功能梯度材料的等效热应力降低了62.3%,表面工作温度下降了50℃;而与单纯金属W相比,W/Cu梯度材料的表面工作温度较之降低445℃。

W/Cu功能梯度材料的制备及应用

W/Cu功能梯度材料性能优异应用广泛,以W/Cu功能梯度材料的制备方法为研究对象,探讨不同制备方法存在的优缺点,包括熔渗法、粉末冶金法及等离子喷涂法。作为等离子体材料应与等离子体相适应,耐热冲蚀。在电子领域中,其一侧应满足与基板的封接问题,另一侧满足高导热、低热膨胀系数的要求。目前虽然研发出多种新工艺、新技术,但需进一步了解其控制因素及影响机理,另外每种工艺适用范围比较小,需开发高效、低成本、适用广、易控制的制造工艺。